软磁复合材料与硅钢片材料的永磁电机性能差异研究
沈阳工业大学电气工程学院的研究人员赵国新、孔德财等，在2018年《电工技术学报》上撰文指出，软磁复合材料是由表面带有绝缘的金属粉末颗粒压制而成，具有涡流损耗小、各向同性的特点，近年来得到了一定的应用，但其磁滞损耗大，磁导率低，所以其适用场合及与硅钢片性能的具体差异还需要进一步的深入研究。
该文首先利用环形试样法测试软磁复合材料的磁特性，得到其空载磁化曲线和不同频率下的损耗数据。然后，为对比分析软磁复合材料和硅钢片材料在电机应用中的差异，分别使用软磁复合材料和硅钢片设计两台永磁同步电机，分析计算两种材料电机的磁场、铁耗以及铁耗在不同频率下的变化规律。最终通过样机测试掌握了两种材料在永磁电机中应用的差异，验证了计算的准确性，总结了软磁复合材料的应用范围。
软磁复合材料（Soft Magnetic Composite materials, SMC）是采用粉末冶金技术将预先混合的高纯度带有绝缘层的铁粉与有机材料模压成型得到，近年来在电机等领域中得到了广泛的研究与应用[1-4]。SMC材料可以直接模压成型的特点使电机结构、电磁设计更加灵活多样和新颖，为电机的应用、发展开辟了新方向，吸引了广大研究学者[5-7]。
SMC材料电阻率高、涡流损耗低，使得SMC材料更适合应用于高频电机中，但是SMC材料也有一些不可避免的缺点，如磁导率低、磁滞损耗大等。因此，SMC材料在电机中的应用规律及特点仍有待进一步深入研究。
文献[7]对SMC材料电机做了充分的研究，发现在不同转速、不同输出功率时，SMC和硅钢片两种材料的电机性能不同，所做电机在1 000r/min和625r/min时，SMC材料电机效率低，在电机电流为4A时，效率分别比硅钢片电机降低了28%和34.7%；在1 500r/min以上时，SMC材料电机效率高，比硅钢片电机提高了3%。
文献[8]也对比了SMC材料和硅钢片材料制作的感应电机效率，发现采用同样电源电压，SMC材料电机效率低7%，但SMC电机对电源电压比较敏感，降低电源电压后，SMC电机效率可以提高，从220V降低到180V，效率提升了4.7%，但总体上SMC电机的效率低于硅钢片电机，在电源电压为220V和180V时，分别低了10.3%和6.7%。
虽然SMC材料已经有了一定的研究和应用基础，但是其在电机中应用的特点、场合、规律以及和硅钢片在不同运行频率时的特性差异仍然需要研究。
为研究SMC材料的特性，分析其与传统硅钢片的区别，本文首先对Hoganas公司生产的型号为Somaloy700的SMC材料进行磁特性测试，并且和常用的0.5mm厚度的硅钢片DW470进行对比；然后分别以SMC材料和DW470为铁心材料设计两台相同尺寸和参数的永磁同步电机，对两台电机进行磁场分析、损耗计算，分析两种材料制造的样机的特点和差异；最后制造出样机，并进行测试，得出这两台样机的性能差异。
通过本文的分析对比可以总结出SMC材料的特点，得到SMC材料和硅钢片材料电机性能的差异以及SMC材料的适用场合，从而可以为SMC材料在电机中的应用总结出一定的规律。
图8 SMC材料制作的样机定子和转子
图9 硅钢片制作的样机
图12 电机测试平台
为对比硅钢片材料和软磁复合材料在电机中应用时性能的差异，本文设计、制造了两台分别以SMC材料和DW470为铁心的永磁同步电动机，结合有限元计算和实验研究得出如下结论：
1）基于环形试样法对SMC材料的磁特性进行测试，得出了SMC材料的磁化曲线和损耗曲线，通过和DW470的对比，发现SMC材料的磁导率比较低；两种材料随着频率的升高，比损耗均增加，400Hz是一个关键频率点，在400Hz以下时，硅钢片材料的损耗比SMC材料的损耗小；当频率高于400Hz时，软磁复合材料的比损耗低于DW470材料。
2）根据空载实验，SMC样机的反电动势比DW470电机小，这与理论计算相符，验证了SMC材料的磁导率低这一特点。对两样机进行负载实验，结果显示在频率低于400Hz时，DW470材料电机效率高，但是随着频率的增加，两种材料制造的样机效率差值越来越小，在400Hz时，两者的频率基本相同，这和理论计算得到的规律相符，说明了SMC永磁同步电机在中高频时有很好的性能，能够抵消磁导率低和磁滞损耗大的缺点，具有较好的应用前景。
3）因SMC材料易碎，设计时应适当增加厚度，尽量避免设计尖锐的棱角，加工后应该用胶或环氧树脂涂抹以增加铁心的强度，防止“掉渣”。